KR101324073B1

KR101324073B1 - 보강 패널

Info

Publication number: KR101324073B1
Application number: KR1020097025990A
Authority: KR
Inventors: 엔조 코센티노
Original assignee: 에어버스 오퍼레이션즈 리미티드
Priority date: 2007-05-14
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2013-10-31
Also published as: EP2155548A1; EP2155548B1; CA2684551A1; WO2008139214A1; JP2010526725A; US8302486B2; US20100126281A1; CN101678891A; CA2684551C; CN101678891B; KR20100017792A; RU2469907C2; BRPI0811582A2; GB0709118D0; RU2009144035A; ATE524377T1; JP5596538B2

Abstract

보강 패널(1)은 복합재료 외피(2); 상기 외피에 접착되는 복수의 스트링거(3, 4) 및 인접하는 한 쌍의 스트링거 사이에 각각 위치되는 하나 이상의 변형 액추에이터(5)를 포함한다. 상기 외피의 평면으로 보강 패널에 하중이 인가되고, 가압 하중이 소정의 문턱값을 초과하는 경우 상기 변형 액추에이터에 의해 상기 외피에 국부적인 변형이 가해진다. 이는 외피가 버클링 되도록 하고, 외피와 스트링거 사이에서 인터페이스 응력을 감소시킨다.

보강패널, 외피, 스트링거, 액추에이터, 압전장치, 변형, 버클링

Description

보강 패널{REINFORCED PANEL}

본 발명은 복합재료 외피(skin) 및 상기 외피에 접착되는 복수의 스트링거(stringer)를 포함하는 보강 패널에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 보강 패널의 버클링(buckling) 방법에 관한 것이다.

복합재료는 중량, 내구성 및 수명 비용(through-life cost)과 같은 특정 영역에서 높은 수준의 성능이 있음에도 기초 구조에 광범위하게 적용되지 못하고 있다. 이는 대부분 손상 시의 파손 메커니즘 및 그의 거동에 대한 이해의 부족으로 비롯한 것이다. 이러한 일반적인 지식 및 노하우(know-how)의 이해 부족은 때때로 매우 큰 구조물을 초래하고, 이는 모든 새로운 디자인 해결책에서 특징으로 하는 경량화 관점에 반하는 것이다.

버클링(buckling) 또한 대부분 보강 패널 디자인에서 쟁점이 되는 문제 중 하나이다. 복합재료 강화 패널은 어떠한 손상 없이 버클링 하중(좌굴 하중)(buckling load)보다 큰 평면 하중을 수반할 수 있다는 것은 공지된 것이다. 그러나 구조물 파손에 의한 파괴와 관련된 이러한 거동을 모의 실험하기 위한 테스트 는 복잡하고 비용이 많이 소요되며, 이는 그 파편들로부터 파손 메커니즘의 회수를 매우 복잡하게 한다.

금속 기체(airframe)에 있어서, 응력 완화 및 응력 재분배는 국부적인 소성 변형에 의해 본질적으로 제공되고, 파손은 외피(skin)의 휨에 의해 또는 국부적인/전체적인 보강재 버클링에 의해 발생한다. 복합재료에서 국부적인 가소화(plasticization)는 매우 드물게 발생하고, 이에 따라 이는 대체로 응력 완화 방법을 이용할 수 없게끔 한다.

본 발명의 제1 관점은 복합재료 외피; 상기 외피에 접착되는 복수의 스트링거; 및 인접하는 한 쌍의 스트링거 사이에 각각 위치되며, 상기 외부에 국부적인 변형을 인가하여 그 외피에 버클링(buckling)을 유도하도록 구성되는 하나 이상의 변형 액추에이터를 포함하는 보강 패널을 제공한다.

본 발명의 제2 관점은 복합재료 외피 및 상기 외피에 접착되는 복수의 스트링거를 포함하는 보강 패널을 버클링하는 방법으로서, 상기 외피의 평면으로 상기 보강 패널에 하중을 인가하고; 상기 하중이 소정의 문턱값(threshold)을 초과하는 경우에 하나 이상의 변형 액추에이터를 이용하여 인접하는 한 쌍의 스트링거 사이에서 상기 외피에 국부적인 변형을 가하는 방법을 제공한다.

본 발명에서 금속 구조물의 국부적인 소성 변형을 가져오는 것과 유사한 응력 완화는 외피에서 조기에 버클링을 유도함으로써 복합재료 구조물에서 달성될 수 있음을 알 수 있다.

상기 외피의 평면으로 가해지는 하중은 압축 하중, 전단 하중 또는 이 두 하중이 조합된 하중으로 될 수 있다.

일 실시 예로, 각 변형 액추에이터는 두 안정적인 상태 사이에서 그 액추에이터의 기하학적 구조를 변화시킴으로써 상기 국부적인 변형을 가한다. 이 경우, 각 변형 액추에이터는 제어시스템을 필요로 하지 않고 그의 기하학적 구조를 자동으로 변경할 수 있다. 다른 실시 예로, 제어시스템은 상기 외피의 변형을 모니터링하고, 상기 모니터링된 변형이 소정의 문턱값을 초과하는 경우에 상기 변형 액추에이터를 구동시키도록 제공된다. 이 경우에서의 상기 변형 액추에이터는 예를 들면 압전장치로 이루어질 수 있다. 능동 제어 및 모니터링을 위한 제어 시스템의 이용은 작동 하중 범위를 증대시키고, 실제 구조물 구성, 거동 및 보전(integrity)에서의 정보를 제공할 수 있다.

일련의 전용 변형 게이지(dedicated strain gauge)는 제어 시스템으로 필요한 입력을 제공할 수 있다. 그러나 상기 액추에이터는 필요로 되는 검출 입력을 제공하는 것, 즉 각 액추에이터가 외피의 변형을 검출하고 제어시스템에 의해 모니터링된 검출 신호를 발생하도록 구성되는 것이 보다 바람직하다. 이는 각 액추에이터가 공통의 쌍방향 제어 회선을 통해 제어시스템으로 검출신호를 전달하고, 그 제어시스템으로부터 구동 신호를 제공받을 수 있기 때문에, 요구되는 제어 회선의 개수를 감소시킨다. 상기 스트링거 및 외피는 접착층에 의하거나 동시 경화에 의해 또는 다른 적절한 접착 방법에 의해 서로 접착될 수 있다.

상기 변형 액추에이터는 외피에 적어도 부분적으로 임베딩(embedding) 될 수 있다. 이는 변형 액추에이터를 외피에 접착하기 위한 접착제를 필요로 하지 않을 수 있다.

여기에서 설명한 실시 예들에서, 상기 외피는 에폭시 수지가 함침된 복수의 단축 탄소 섬유를 포함하는 복합재료로 형성된다. 그러나 상기 외피는 예를 들면 유리보강섬유 금속적층체(GLARE)를 포함하는 소정의 복합재료로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시 예들을 첨부 도면들을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보강 패널의 평면도.

도 2는 도 1의 A-A선에 따른 단면도.

도 3은 보강 패널의 일부 확대 단면도.

도 4는 하나의 액추에이터를 나타내는 확대도.

도 5는 전자제어 시스템을 나타내는 도면.

도 6은 부분적으로 임베딩(embedding) 된 액추에이터를 나타내는 도면.

도 7은 완전히 임베딩된 액추에이터를 나타내는 도면.

도 8은 제어 회선을 수반하는 섬유의 단면도.

도 9는 다중-안정 액추에이터를 채용하는 보강 패널의 평면도.

도 10은 기준 인터페이스 변수(typical interface variable) 대 하중의 그래프.

도 1 및 도 2는 보강 패널(1)의 일부분을 나타낸 것이다. 상기 보강 패널은 예를 들면 항공기의 날개 또는 항공기의 동체의 외피(skin)를 형성할 수 있다. 상기 보강 패널은 복합재료 외피(2); 상기 외피에 동시 경화되는 복수의 복합재료 스트링거(stringer)(3, 4); 및 상기 스트링거들 사이에 위치된 2차원 배열의 압전변형 액추에이터(5)를 포함한다. 항공기 날개의 경우에, 상기 스트링거는 날개 뿌리부터 그의 첨단 측으로의 날개 길이 방향으로 계속되어 형성된다.

도 1은 보강 패널의 작은 일부분만을 나타낸 것으로, 수평 방향 및 수직방향으로 더 연장된다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 각각의 스트링거는 상기 외피로부터 연장하는 웹(web)(3a, 4a) 및 상기 외피(2)에 접착되는 한 쌍의 플랜지(flange)(3b, 4b)를 포함한다.

상기 각각의 압전변형 액추에이터(5)는 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이 접착층(5a)에 의하여 외피(1)에 접착된다. 상기 액추에이터의 상면 및 하면에는 한 쌍의 전극(10a, 10b)가 접착된다. 각 전극은 각각의 제어 회선(11a, 11b)에 접속되고, 상기 제어 회선은 도 5에 나타낸 제어 시스템(13)으로 안내되는 케이블(12)로 서로 묶음을 이룬다.

상기 제어 시스템(13)은 전극(10a, 10b) 간에 전압을 인가함으로써 액추에이터를 구동시킨다. 이는 압전 효과로 인하여 전계(electric field)에 대하여 직각으로 액추에이터를 확장시키거나 수축시킨다. 상기 전압의 표시(sign)는 액추에이터가 확장인지 또는 수축인지를 결정한다.

또한, 상기 압전변형 액추에이터(5)는 하중 센서로서 작용한다. 상기 보강 패널이 변형되는 경우, 이는 압전변형 액추에이터를 확장시키거나 수축시켜서 상기 전극(10a, 10b) 간의 전압을 번갈아 발생시킨다. 이러한 전압은 제어 시스템(13)에 의해 모니터링되는 검출 신호를 제공한다. 상기 제어 시스템(13)은 모니터링된 전압이 메모리(14)에 저장된 소정의 문턱값(threshold)을 초과하는 경우 구동 신호를 발생시킨다. 이러한 구동 신호는 전극 간의 전압을 증가시키거나 감소시켜서 액추에이터를 번갈아 확장시키거나 수축시킨다. 상기 액추에이터로부터의 검출 신호 및 상기 액추에이터로부터의 구동 신호는 모두 동일한 제어 회선에 의하여 전달될 수 있음을 알 수 있다. 상기 액추에이터의 변형은 외피에 국부적인 변형을 인가하고, 이는 스트링거 사이에 버클링(buckling)을 발생시켜 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 주름(wrinkle)(6)을 형성한다.

현재 대다수의 항공 구조물에 대하여 버클링이 설계제한하중 이하로 허용될 수 없는 것을 요구한다. 도 10은 기준 인터페이스 변수(typical interface variable)(전단 하중 또는 외피와 스트링거 사이의 경계에서 레인(lane)을 벗어난 변위) 대 하중의 그래프이다. P1 및 P2 사이의 영역에서, 상기 보강 패널은 그 보강 패널의 대향 면들 간의 압력차를 인가함으로써 가압 된다. 이러한 압력차는 예를 들면 외피의 일측에서의 가압된 연료의 존재로 인하여 사용 중에 존재한다. 지점 P1 및 P2 간의 영역에서, 평면 내의 압축 하중은 보강 패널로 인가된다. 지점 P2에서, 상기 보강 패널은 버클링(좌굴) 된다. 그러므로 P2는 압전변형 액추에이터(5)가 없을 때에 최대 허용 하중을 나타내며, 따라서 상기 구조물의 사이 징(sizing)이 실현된다.

예압 패널(pre-pressurized panel)이 버클링 하중에 도달하는 경우, 횡단 형태에서의 현저한 변화가 발생할 수밖에 없다. 실제로, 안정적인 양상에서 변형된 구성(압력으로 인한 하나의 주름(wrinkle)에 의해 나타남)은 후버클링(후좌굴)(post buckling) 방식으로 보강 방향을 따라 일련의 주름들로 변화되게 된다. 이는 스냅-스루 현상(snap-through phenomenon)을 통해 일어날 수 있어 기계적인 변수들의 갑작스런 변화는 안정한 방식에서 불안정한 방식으로의 변환으로 특정되어 진다. 도 1은 이러한 세 개의 다중 주름(6)을 나타낸 것이다.

외부 하중이 점차 작용하게 되면, 그 이후 변환 직전 및 직후의 초기 탄성 에너지는 초기 탄성 에너지를 유지해야만 한다. 동일한 양의 탄성 에너지가 하나의 주름만에 걸쳐 또는 여러 주름에 퍼져 분배되면, 후자의 경우 각 주름에 특징 되어 지는 평면 외 최대 변위는 감소하게 되어, 각 경계 응력 성분은 비례하여 감소하게 된다. 이는 버클링이 패널과 스트링거 사이의 경계에서 응력 완화를 유도하는 것을 의미한다.

상기 버클링 하중 P2 이하(예를 들면, 버클링 하중 P2의 60% 또는 80%)로 메모리(14)에 문턱값을 설정함으로써, 상기 액추에이터(5)는 버클링 하중 P2에 도달하기 전에 외피가 버클링 되도록 하는 추가적인 응력장(stress field)을 보강한다. 이러한 조기 버클링은 동시 접착되는 외피/보강재 경계에서 후속하는 응력 완화를 발생시킨다. 그런 다음 상기 보강 패널은 후-안정 방식으로 작용하게 되고, 감소한 경계 응력은 보다 높은 하중 레벨에서의 임계값에 도달하게 된다. 그 결과, 작동 부하 능력은 증대될 수 있고, 전체 성능 및 무게 감량이 현저히 증가할 수 있다.

도 6은 액추에이터가 외피(2)의 표면 내의 홈에 부분적으로 임베딩(embedding) 되는 다른 배치를 나타낸 것이다. 도 7은 액추에이터(5)가 외피(2) 내측에 완전히 임베딩된 다른 배치를 나타낸 것이다. 도 8은 완전히 임베딩된 액추에이터(5)의 개략도이다.

상기 외피(2) 및 스트링거(3, 4)는 각각 일련의 복합재료층으로 형성되고, 각 층은 에폭시 수지(epoxy resin)가 함침된 복수의 단축(uni-axial) 중공 탄소 섬유를 포함한다. 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이 부분적으로 또는 완전히 임베딩된 배치에서, 상기 제어 회선(1a, 11b)의 하나 또는 모두는 각 탄소 섬유의 중공 코어(core)를 따라 내재 될 수 있다. 이는 탄소 섬유의 중공 코어 내에 제어 회선(11b)을 포함하는 중공 탄소 섬유(21)의 단면도인 도 8에 나타내었다. 상기 도전성 금속 제어 회선(11b)과 도전성 탄소 섬유(21) 사이의 공간은 절연체로서 기능 하는 수지(20)로 충전된다.

도 9에 나타낸 본 발명의 다른 실시 예에서, 상기 압전변형 액추에이터(5)는 둘 이상의 안정적인 상태 사이에서 기하학적 구조를 변경함으로써 외피에 국부적인 변형을 인가하는 다중-안정(multi-stable) 액추에이터(30)로 대체된다. 이러한 구성의 예로는 비대칭 적층체이다. 다양한 비대칭 적층체 구조는 아래의 내용에 제안되어 있다.

＊ "가변 후퇴익용 스냅-스루 복합재료의 잔류 응력 테일러닝의 응용", 47번째 AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC 구조물, 구조역학 및 재료 회의, 로드아일랜드주, 뉴포 트, 2006.5.1-4("application of residual stress tailoring of snap-through composite for variable sweep wings", 47th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, 1 - 4 May 2006, Newport, Rhode Island); 및

＊ 형상 변형을 위한 압전 액추에이터를 갖는 쌍안정 복합재료, 씨.알.보웬, 에이,아이.티.살로, 알.버틀러, 이.창 및 에이치.에이.킴, 키 엔니지어링 머티리얼스 볼륨 334-335(2007)pp.1109-1112(Bi-stable composites with piezoelectric actuators for shape change, C.R.Bowen, A.I.T.Salo, R.Butler, E.Chang and H.A.KIM, Key Engineering Materials Vols. 334-335 (2007)pp. 1109-1112)

가장 간단한 예로서 [0°/90°]의 적층 순서를 갖는 사각 평판이다. 냉각 이후, 고온에서 경화된 플랫(flat)인 상기 사각 평판은 힘을 가함으로써 제2 원통형 형상으로 용이하게 스냅(snap) 될 수 있는 원통형 형상을 나타낸다.

이 경우, 전자제어시스템 또는 메모리는 필요하지 않다. 그 대신에, 상기 액추에이터(30)는 보강 패널에서의 하중이 요구되는 문턱값을 초과하는 경우, 액추에이터들이 안정 상태 사이에서 스냅 할 수 있도록 한 고유재료특성을 가지며, 이에 따라 상기 액추에이터(30)에 의해 가해지는 국부적인 변형으로 인하여 외피가 앞서 버클링 되도록 한다.

본 발명은 하나 이상의 바람직한 실시 예들을 참조하여 전술되었지만, 첨부되는 청구범위에 정의된 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경 및 변형의 가능함은 명백한 것이다.

Claims

복합재료 외피;

상기 외피에 접착되는 복수의 스트링거; 및

인접하는 한 쌍의 스트링거 사이에 각각 위치되며, 상기 외피에 국부적인 변형을 인가하여 상기 외피에 버클링(buckling)을 유도하도록 구성되는 하나 이상의 변형 액추에이터를 포함하고,

상기 하나 이상의 변형 액추에이터는 상기 외피에 국부적인 변형을 인가하도록 구성되고, 그에 따라 상기 스트링거 사이에서 상기 외피에 버클링이 발생되어 상기 외피에 일련의 여러 주름이 형성되는

보강 패널.
제1항에 있어서,

상기 외피의 변형을 모니터링하고, 상기 모니터링된 변형이 소정의 문턱값을 초과하는 경우에 상기 변형 액추에이터를 구동시키도록 구성되는 제어 시스템을 더 포함하는

보강 패널.
제2항에 있어서,

상기 각 액추에이터는 상기 외피의 변형을 검출하고, 상기 제어 시스템에 의하여 모니터링된 검출 신호를 발생시키도록 구성되는

보강 패널.
제3항에 있어서,

상기 각 액추에이터는 검출 신호를 상기 제어 시스템으로 전달하고, 공통의 쌍방향 제어 회선을 통해 상기 제어시스템으로부터 구동 신호를 제공받는

보강 패널.
제1항에 있어서,

상기 각 변형 액추에이터는 두 안정적인 상태 사이에서 그 액추에이터의 기하학적 구조를 변화시킴으로써 상기 국부적인 변형을 가하는

보강 패널.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 스트링거 및 외피는 동시 경화되는

보강 패널.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 각 변형 액추에이터는 접착층에 의해 상기 외피에 접착되는

보강 패널.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 각 변형 액추에이터는 상기 외피에 적어도 부분적으로 임베딩(embedding)되는

보강 패널.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 각 변형 액추에이터는 압전 장치인

보강 패널.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 외피는 적층 복합재료로부터 형성되는

보강 패널.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 액추에이터는 상기 주름이 보강 방향을 따라 서로 공간 이격되도록 구성되는

보강 패널.
복합재료 외피 및 상기 외피에 접착되는 복수의 스트링거를 포함하는 보강 패널을 버클링하는 방법으로서,

상기 외피의 평면으로 상기 보강 패널에 압축 하중을 인가하고;

상기 하중이 소정의 문턱값을 초과하는 경우에 하나 이상의 변형 액추에이터를 이용하여 인접하는 한 쌍의 스트링거 사이에서 상기 외피에 국부적인 변형을 가하는

방법.
제13항에 있어서,

상기 외피의 변형을 모니터링하고,

상기 모니터링된 변형이 소정의 문턱값을 초과하는 경우 상기 변형 액추에이터를 구동시키는 것을 더 포함하는

방법.
제13항 또는 제14항에 있어서,

상기 하나 이상의 변형 액추에이터는 상기 외피에 일련의 여러 주름을 형성하도록 상기 스트링거들 사이에서 상기 외피에 버클링을 발생시켜서 상기 외피에 국부적인 변형을 인가하는

방법.
제15항에 있어서,

상기 액추에이터는 상기 주름이 보강 방향을 따라 서로 공간 이격되는

방법.